CN104766891A - 一种薄膜晶体管的源漏电极及制备方法、薄膜晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜晶体管的源漏电极，由依次叠设的钼层和铜层构成，所述铜层设于所述钼层的上方；所述钼层设于薄膜晶体管的有源层的上方；所述钼层和钼层的晶格生长方向垂直；所述钼层的厚度为20～40nm；所述铜层的厚度为150～250nm。本发明还公开了上述源漏电极的制备方法及包含上述源漏电极的薄膜晶体管及其制备方法。本发明克服了现有技术中的铜电极容易氧化、铜电极沉积在金属氧化物有源层上之后铜原子向氧化物扩散的缺陷，具有高电导率的特点，还可以实现两层电极之间的应力平衡，使得电极剥离率降低，结合强度得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜晶体管的制备领域，特别涉及一种薄膜晶体管的源漏电极及制备方法、薄膜晶体管及制备方法。
背景技术
薄膜晶体管(Thin Film Transistor，简称TFT)，是一种用途广泛的半导体器件，主要用于显示器中驱动液晶排列变化、或驱动OLED像素发光等。薄膜晶体管的结构至少包含栅极、栅极绝缘层、有源层、和源漏电极。
随着大尺寸、高分辨率、高刷新率显示器的普及，TFT必须具有优良的迁移率和电导率才能缩短信号的延迟、降低能耗、提升显示质量。
迁移率主要由TFT的有源层材料决定。目前流行的有源层材料有(低温)多晶硅、非晶硅、金属氧化物等。低温多晶硅、金属氧化物的电子迁移率较高，但用低温多晶硅做有源层的TFT生产工序较长、光罩数更多、成本更高。相比之下，金属氧化物制程简单、成本低廉，备受青睐，显示行业最有名的金属氧化物材料是IGZO。
电导率则由电极材料决定。现常用的高导电极材料有银、铜、铝、铝钕合金、钼、钛等。这几种材料之中，薄膜电阻率相对较低的有银(2.1μΩ·cm)和铜(2.3μΩ·cm)。银存在沉积时容易出现银颗粒聚集的问题，严重影响电子传输，此外银的成本非常昂贵，导致银电极的使用非常受限。
铜无论从电阻率、稳定性还是成本来看，都十分理想，但是铜存在着以下问题：1)铜容易被氧化，氧化铜的电阻率则较高；2)铜电极沉积在金属氧化物有源层上之后，铜原子会向氧化物扩散，在有源层中产生类受主型缺陷，使得有源层电学性能劣化；3)铜(包括银)和金属氧化物的接触电阻较高，说明能级不匹配；4)铜电极自身存在张应力(应力＞0)，沉积在有源层上之后会出现翘曲、剥离的现象。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的之一在于提供一种薄膜晶体管的源漏电极，能够阻止铜离子的扩散，降低接触电阻，提高电导率。
本发明的目的之二在于提供上述膜晶体管的源漏电极的制备方法。
本发明的目的之三在于提供包含上述源漏电极的薄膜晶体管。
本发明的目的之四在于提供上述薄膜晶体管的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种薄膜晶体管的源漏电极，由依次叠设的钼层和铜层构成，所述铜层设于所述钼层的上方；所述钼层设于薄膜晶体管的有源层的上方；所述钼层和钼层的晶格生长方向相互垂直。
所述钼层的厚度为20～40nm。
所述铜层的厚度为150～250nm。
所述薄膜晶体管的源漏电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)在5～25sccm的Ar气环境下，气压为1～7mTorr，以50～200瓦功率，在薄膜晶体管的有源层的溅射制备钼薄膜作为钼层；
(2)在10～30sccm的Ar气环境下，气压为1～7mTorr，以100～500瓦功率，在钼层溅射制备铜薄膜作为铜层。
一种薄膜晶体管，包括上述的源漏电极。
所述的薄膜晶体管，由下至上依次包括基板、底栅极、栅极绝缘层、有源层、钼层和铜层。
所述基板为玻璃基板；所述底栅极为铝合金底栅极；所述栅极绝缘层为Al2O3栅极绝缘；所述有源层为a-IGZO有源层。
所述的薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：
a.首先在玻璃基板上直流溅射并湿法刻蚀沉积金属薄膜作为底栅极；
b.再在底栅极上采用化学阳极氧化法制备栅极绝缘层；
c.在栅极绝缘层上沉积有源层作为沟道层并进行图形化；
d.在图形化后的有源层上依次制备钼层和铜层，并采用lift-off工艺进行图形化。
所述的薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：
a.首先在玻璃基板上直流溅射并湿法刻蚀沉积铝合金薄膜作为底栅极；
b.再在底栅极上采用化学阳极氧化法制备一层Al2O3栅极绝缘层；
c.在室温下通过射频磁控溅射a-IGZO薄膜作为有源层，并采用湿法刻蚀使a-IGZO薄膜图形化，然后在250～300℃的空气气氛中退火30～40min；
d.在5～25sccm的Ar气环境下、气压为1～7mTorr、以50-200瓦功率溅射钼薄膜作为钼层，然后在10～30sccm的Ar气环境下、气压为1～7mTorr、以100～500瓦功率溅射铜薄膜作为铜层；然后对所制备的钼层和铜层整体采用剥离工艺进行图形化。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明通过在现有的薄膜晶体管的铜漏电极与薄膜晶体管的有源层之间增设钼层，由于铜离子和钼离子的晶格生长方向相互垂直的特性，因此钼层的设置能够阻止铜离子的扩散。
(2)本发明的钼/铜结构的源漏电极，可以降低接触电阻，提高电导率。铜的功函数4.65eV，氧化物IGZO的功函数为4.5eV，二者的能级差比较大，因此，现有技术中采用二者直接接触的结构，源漏电极与有源层之间会造成较高的接触电阻。通过在铜层与有源层之间引入一层功函数为4.6eV的钼层，实现能级匹配，载流子的传输性能得到提升、接触电阻得以下降。
(3)本发明通过溅射条件的控制，使得钼的扩散距离得到有效缩短，实现有效控制电极层的离子扩散。
(4)本发明采用钼/铜结构，还可以实现两层电极之间的应力平衡，使得电极剥离率降低，结合强度得到提高。由于在一定厚度下，Cu薄膜的应力＞0，表现为张应力)。Mo薄膜的应力＜0，表现为压应力。故可以通过调整二者的厚度，使得整体应力得到平衡，最终可达到零应力。在零应力状态下，电极的剥离率降低，结合强度得到提升。
附图说明
图1为本发明的实施例1的薄膜晶体管的源漏电极的结构示意图。
图2为本发明的实施例1制备的源漏电极的截面电镜图。
图3(a)为采用玻璃作为基板、以铜作为源漏电极，剥离电极后的电镜图。
图3(b)为采用玻璃作为基板、以本发明的实施例1的钼/铜双层结构的源漏电极作为源漏电极，剥离测试后的电镜图。
图3(c)是采用氧化硅作为基板、以铜作为源漏电极，剥离测试后的电镜图。
图3(d)是采用氧化硅作为基板、以本发明的实施例1的钼/铜双层结构的源漏电极的源漏电极作为源漏电极，剥离测试后的电镜图。
图4为本发明的实施例2的薄膜晶体管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的薄膜晶体管的源漏电极如图1所示，由依次叠设的钼层120和铜层110构成，铜层110位于钼层120上方，钼层120设置于薄膜晶体管的有源层上方。
其中，钼层的厚度设置为20～40nm。铜层的厚度设置为150～250nm，本实施例优选铜层的厚度设置为200nm，钼层的厚度设置为30nm。
本实施例的薄膜晶体管的源漏电极的制备方法如下：
(1)在10sccm的Ar气环境下，气压为1mTorr，以50瓦功率，在薄膜晶体管的有源层的溅射制备钼薄膜作为钼层；
(2)在30sccm的Ar气环境下，气压为3mTorr，以500瓦功率，在钼层溅射制备铜薄膜作为铜层。
现有技术中，在薄膜晶体管中，铜电极中铜的氧化物主要有两个来源：1)是铜电极在沉积之后的退火工艺中，退火环境含氧，造成铜的氧化物，属于外界环境的影响；2)是铜电极下方有源层500氧化物的氧会向上扩散，造成铜的氧化，属于器件内部的影响。第一种情形可以通过改善外部工艺环境解决。第二种情形通过本发明的技术方案，在铜层沉积一层钼，这样当该电极与作为有源层、的氧化物接触时，铜和氧化物之间的钼层、可以阻止氧的扩散，有效防止铜离子的氧化。
本发明提出的源漏电极，具有钼/铜结构的双层结构，利用铜离子和钼离子的晶格生长方向完全不一致的特性，阻止铜离子的扩散。由于铜也会向氧化物扩散，严重影响器件均匀性。本实施例制备的源漏电极的截面电镜图如图2所示，微观组织分析发现，通过控制溅射工艺，铜和钼的晶格生长方向相互垂直。如此一来铜便很难通过钼薄膜向金属氧化物有源层扩散。研究发现，钼本身也会扩散，本实施例中通过溅射条件的控制，使得钼的扩散距离得到有效缩短。
本发明的钼/铜结构的双层金属高导源漏电极，可以降低接触电阻，提高电导率。铜的功函数4.65eV，氧化物以IGZO为例功函数为4.5eV，二者的能级差比较大，因此，二者之间会造成较高的接触电阻。通过在铜层110与有源层500之间引入一层功函数为4.6eV的钼层，实现能级匹配，载流子的传输性能得到提升，接触电阻得以下降。表1所示的对比数据表显示了不同材料的源漏电极的参数表，从该表中可以看出，钼/铜结构的双层金属高导源漏电极的有效接触电阻及有效接触电阻率都比其它电极的数值性能大幅提高。
表1 不同材料的源漏电极的参数表
此外，采用钼/铜结构的源漏电极，还可以实现两层电极之间的应力平衡，使得电极剥离率降低，结合强度得到提高。由于在一定厚度下，Cu薄膜的应力＞0，表现为张应力)。Mo薄膜的应力＜0，表现为压应力。故可以通过调整二者的厚度，使得整体应力得到平衡，最终可达到零应力。在零应力状态下，电极的剥离率降低，结合强度得到提升。
本实施例对不同的基板及不同的源漏电极的剥离情况进行对比，结果如下：
图3(a)是采用玻璃作为基板、以铜作为源漏电极，剥离测试后的电镜图，图3(b)是采用玻璃作为基板、以本发明的钼/铜双层结构的源漏电极作为源漏电极，剥离测试后的电镜图。图3(a)、图3(b)所采用的其它材料及制备工艺均相同，从图3(a)、图3(b)中可以看出，采用本发明的钼/铜双层结构的源漏电极作为源漏电极时的剥离率远远低于图3(a)。图3(c)是采用氧化硅作为基板、以铜作为源漏电极，剥离测试后的电镜图，图3(d)是采用氧化硅作为基板、以本发明的钼/铜双层结构的源漏电极的源漏电极作为源漏电极，剥离测试后的电镜图。图3(c)、图3(d)所采用的其它材料及制备工艺均相同，从图3(c)、图3(d)中可以看出，采用本发明的钼/铜双层结构的源漏电极作为源漏电极时的剥离率远远低于图3(c)。
实施例2
如图4所示，本实施例的薄膜晶体管，由下至上依次包括基板200、底栅极300、栅极绝缘层400、有源层500、源漏电极100；所述源漏电极由下至上依次由钼层和铜层构成。
本实施例的薄膜晶体管的制备过程如下：
a.首先在玻璃基底上直流溅射并湿法刻蚀沉积300nm的铝合金薄膜作为底栅极；
b.再在底栅极上采用化学阳极氧化法制备一层200nm的Al2O3栅极绝缘层；
c.在室温下通过射频磁控溅射50nm的a-IGZO薄膜作为有源层，并采用湿法刻蚀使a-IGZO薄膜图形化，然后在300℃空气气氛中退火30min；
d.在10sccm的Ar气环境下、气压为1mTorr、以50瓦功率溅射钼30nm薄膜作为钼层，然后在30sccm的Ar气环境下、气压为3mTorr、以500瓦功率溅射200nm铜薄膜作为铜层；然后对所制备的钼层和铜层整体采用剥离工艺进行图形化。
测试结果证明本实施例制备的薄膜晶体管具有高的电导率及稳定性。
实施例3
本实施例的薄膜晶体管的制备过程如下：
a.首先在玻璃基底上直流溅射并湿法刻蚀沉积300nm的铝合金薄膜作为底栅极；
b.再在底栅极上采用化学阳极氧化法制备一层200nm的Al2O3栅极绝缘层；
c.在室温下通过射频磁控溅射50nm的a-IGZO薄膜作为有源层，并采用湿法刻蚀使a-IGZO薄膜图形化，然后在300℃空气气氛中退火30min；
d.在25sccm的Ar气环境下、气压为7mTorr、以200瓦功率溅射钼30nm薄膜作为钼层，然后在10sccm的Ar气环境下、气压为7mTorr、以100瓦功率溅射100nm铜薄膜作为铜层；然后对所制备的钼层和铜层整体采用剥离工艺进行图形化。
测试结果证明本实施例制备的薄膜晶体管具有高的电导率及稳定性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种薄膜晶体管的源漏电极，其特征在于，由依次叠设的钼层和铜层构成，所述铜层设于所述钼层的上方；所述钼层设于薄膜晶体管的有源层的上方；所述钼层和钼层的晶格生长方向相互垂直。
2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管的源漏电极，其特征在于，所述钼层的厚度为20～40nm。
3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管的源漏电极，其特征在于，所述铜层的厚度为150～250nm。
4.权利要求1～3任一项所述薄膜晶体管的源漏电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在5～25sccm的Ar气环境下，气压为1～7mTorr，以50～200瓦功率，在薄膜晶体管的有源层的溅射制备钼薄膜作为钼层；
(2)在10～30sccm的Ar气环境下，气压为1～7mTorr，以100～500瓦功率，在钼层溅射制备铜薄膜作为铜层。
5.一种薄膜晶体管，其特征在于，包括权利要求1～3任一项所述的源漏电极。
6.根据权利要求5所述的薄膜晶体管，其特征在于，由下至上依次包括基板、底栅极、栅极绝缘层、有源层、钼层和铜层。
7.根据权利要求6所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述基板为玻璃基板；所述底栅极为铝合金底栅极；所述栅极绝缘层为Al2O3栅极绝缘；所述有源层为a-IGZO有源层。
8.权利要求6所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.首先在玻璃基板上直流溅射并湿法刻蚀沉积金属薄膜作为底栅极；
b.再在底栅极上采用化学阳极氧化法制备栅极绝缘层；
c.在栅极绝缘层上沉积有源层作为沟道层并进行图形化；
d.在图形化后的有源层上依次制备钼层和铜层，并采用lift-off工艺进行图形化。
9.根据权利要求8所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.首先在玻璃基板上直流溅射并湿法刻蚀沉积铝合金薄膜作为底栅极；
b.再在底栅极上采用化学阳极氧化法制备一层Al2O3栅极绝缘层；
c.在室温下通过射频磁控溅射a-IGZO薄膜作为有源层，并采用湿法刻蚀使a-IGZO薄膜图形化，然后在250～300℃的空气气氛中退火30～40min；
d.在5～25sccm的Ar气环境下、气压为1～7mTorr、以50-200瓦功率溅射钼薄膜作为钼层，然后在10～30sccm的Ar气环境下、气压为1～7mTorr、以100～500瓦功率溅射铜薄膜作为铜层；然后对所制备的钼层和铜层整体采用剥离工艺进行图形化。
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